مراقبة الملفات الآلة الكهربائية باستخدام الاستشعار الحراري FBG

ضرورة مراقبة الملفات الآلة الكهربائية باستخدام الاستشعار الحراري FBG

لقد وجدت الآلات الكهربائية استخدامات عديدة في الأنظمة الصناعية الحديثة، بحيث يتم استخدام نسبة كبيرة في تطبيقات الجهد المنخفض والتي تم تصميمها بشكل ثابت تقريباً باستخدام ملفات كهربائية ذات لفائف عشوائية، وذلك نظراً لفائدة انخفاض تكلفة التصنيع، ومع ذلك؛ فإن تصميم ملف اللف العشوائي يفرض عقوبة على تحمّل الملف السفلي للضغوط الكهرو حرارية التي يتم التعرض لها أثناء تشغيل الماكينة.

وبالتالي هناك خطر متزايد محتمل بحدوث عطل سابق لأوانه إذا تم تشغيل الملفات خارج غلاف أدائها المقنن، كما يعتبر التعرض لأحمال زائدة حرارية أو كهربائية غير مرغوب فيها ولكنه متكرر في التطبيقات العملية مصدر قلق خاص لأنه يمكن أن يؤدي إلى انهيار سريع للعزل، وبالتالي؛ فإن المراقبة في الوقت الحقيقي لدرجة الحرارة الداخلية في ملفات اللف العشوائية.

حيث توجد النقاط الساخنة الحرارية، كما أن لها أهمية قصوى، بحيث يمكن أن يتيح ذلك فهم السلامة التشغيلية للملفات وفي نهاية المطاف تلك الخاصة بالآلة أو عملية صناعية أوسع تقوم بتسهيلها، وبهدف أساسي هو المساعدة في تقليل تكاليف الصيانة ووقت التوقف عن العمل.

وعادةً ما يتم تحديد النقاط الساخنة العشوائية في ملف اللفائف الحرارية بالقرب من مركز الملف، كذلك من منظور المراقبة الحرارية، بحيث يمثل هذا الموقع تحدياً للوصول بشكل فعال، كما تفرض تقنيات المراقبة الحرارية التقليدية لمكونات الجرح بالآلة الكهربائية، مثل المزدوجات الحرارية أو أجهزة كشف درجة الحرارة المقاومة، كما أنه يمثل قيوداً كبيرة للتطبيق في تطبيقات استشعار النقاط الساخنة المضمنة في الملف بسبب التوصيل الكهربائي للحساس والحجم والحساسية للتداخل الكهرومغناطيسي (EMI).

كذلك ظهر بديل جذاب مع التقدم في تقنية استشعار الألياف الزجاجية (FBG)، والتي توفر ميزات مهمة مثل مناعة التداخل الكهرومغناطيسي والحجم الصغير وتعدد الإرسال والمقاومة العامة للبيئات القاسية بحيث تجعل هذه السمات مستشعرات (FBG) مرشحاً قوياً لحلول الاستشعار المدمجة في بيئات التداخل الكهرومغناطيسي العالية المحصورة مثل الموجودة داخل الملفات والآلات الكهربائية.

كما توضح الدراسات الحديثة جدوى المراقبة الحرارية والميكانيكية المدمجة للآلة الكهربائية باستخدام مستشعرات (FBG)، بحيث تم توضيح مزايا استخدام تقنية الاستشعار الحراري (FBG) في المحركات الحثية ذات الجهد المنخفض باستخدام (FBGs) متعددة الإرسال لقياس التغير الديناميكي الحراري لسطح اللف.

ومع ذلك، عندما يتعلق الأمر بالمراقبة الحرارية لمكونات الجرح؛ فإن الدراسات المبلغ عنها مقيدة بتطبيق مستشعر (FBG) المعبأ بالمعادن في هياكل لفائف ملفوفة كبيرة الحجم أو على السطح الخارجي لملفات الجرح العشوائية وليس بالقرب من النقاط الساخنة المضمنة في الملف، والتي هي من اهتمام بالغ بالآلات ذات الجهد المنخفض.

وصف نظام الاختبار بمراقبة ملفات الآلة الكهربائية

تم إجراء العمل التجريبي إلى حد كبير على مجموعات ملف وفتحة عشوائية (أي المحركات) مصممة وفقاً لمعايير (IEEE) ذات الصلة، كما تم لف ملفات الاختبار باستخدام سلك نحاسي معزول (0.56) مم 2 (24AWG) مع (80) لفة لتمثيل عنصر جرح عشوائي نموذجي منخفض الجهد الكهربائي.

كما تم تصنيع الملفات لغرض صنع البكرة باستخدام جهاز لف وجرح بسرعة منخفضة لزيادة توتر السلك وتحقيق عامل تعبئة نموذجي (40٪)، وحيثما كان ذلك مناسباً؛ فإنه تم تركيب الملفات على منصات بمحركات في الاختبارات، كما يتم عرض ملفات الاختبار وتصنيعها وتركيبها في الشكل التالي (1).

لذلك تكون نقطة الاستشعار المستهدفة في هذا العمل هي النقطة الحرارية الساخنة الموجودة في منتصف هيكل الملف، كذلك ألياف الاستشعار العارية هشة ولا يمكن إدخالها أو جرحها بشكل فعال في بنية الملف بسبب القيود التي يفرضها بناء الملف والضغط الميكانيكي المرتبط به، لهذا السبب تم تصميم حزمة المستشعر عن طريق إدخال رأس استشعار (FBG) في أنبوب شعري مصنوع من مادة صلبة.

كما أن هذا يحمي ألياف الاستشعار من الإثارة الميكانيكية غير المرغوب فيها وينتج عن هيكل حساس للإثارة الحرارية في الغالب، ولتعظيم ملامسة عبوة الاستشعار المدمجة مع الموصلات المحيطة (0.56) مم 2، تم استخدام قطر خارجي شعري مشابه جداً يبلغ (0.8) مم للتعبئة، كما أن القطر الداخلي الشعري يبلغ (0.6) مم.

أيضاً ينتج عن اختيار البعد هذا جداراً شعرياً ضيقاً جداً يبلغ (0.1) مم وهو أمر مرغوب فيه لتعزيز استجابة زمن المستشعر عن طريق تقليل المقاومة الحرارية للتغليف، ومع ذلك؛ فإن هذا يفرض أيضاً قلقاً كبيراً فيما يتعلق بقدرة الشعيرات الدموية على المقاومة الميكانيكية للإجهاد الذي تفرضه موصلات الملف، بحيث يبلغ قطر الألياف الخارجي (0.125) مم، مما يؤدي إلى فجوة هوائية ضيقة بين الشعيرات الدقيقة ورأس استشعار (FBG) المحيط بها.

أيضاً يتم اختيار طول الشعيرات الدقيقة لمطابقة طول جانب الملف في هذا العمل، وبالتالي؛ فإن الشعيرات الدقيقة تحيط بقسم الألياف الذي يحتوي على رأس استشعار (FBG)، بينما تتم حماية بقية الألياف بأنابيب تفلون، كما هو موضح في الشكل  التالي (2).

كذلك يتم استخدام مستشعرات (FBG) المفردة والمصفوفة المطبوعة في “ألياف بوليميد” مطلية مزدوجة في هذا البحث حيث أن تصنيفها الحراري يناسب التطبيق في ملفات الآلة التقليدية ذات الجهد المنخفض والتي عادة ما تكون معزولة من الفئة (F) لتحمل درجات حرارة تصل إلى (160) درجة مئوية، بحيث تم توزيع أطوال موجات (Bragg) لرؤوس (FBG) المستخدمة في حدود (1530-1560) نانومتر، كما كان طول رؤوس (FBG 5) مم ومتوسط ​​انعكاسها وعرض النطاق الترددي (81٪) و (0.33) نانومتر على التوالي.

ولضمان وضع المستشعر في مركز الملف، يتم أولاً دمج الشعيرات الدموية للتعبئة داخل هيكل الملف كما هو موضح في الشكل السابق (1-A)، كما يتم تحقيق ذلك عن طريق لف نصف لفات الملف قبل تركيب الشعيرات الدموية ثم لف باقي الملف، وذلك بمجرد اكتمال الملف وتثبيته على إطار المحرك، بحيث يتم إدخال ألياف الاستشعار (FBG) بشكل فضفاض في الشعيرات الدموية، كما يتم توضيح موضع المستشعر المضمن في رسم المقطع العرضي للملف في الشكل (1-A).

أيضاً تتيح هذه العملية استشعار النقاط الساخنة في الموقع وتوفر ميزة تجنب التعرض غير المرغوب فيه لألياف الاستشعار الهشة للضغط الميكانيكي أثناء عملية الرياح، وهي ميزة عملية رئيسية أخرى هي أن ألياف الاستشعار المثبتة، بحيث يمكن الوصول إليها من أجل الاستبدال أو إعادة المعايرة، وهذا ليس هو الحال مع أجهزة استشعار درجة الحرارة التقليدية.

كذلك تم تحقيق الظروف الحرارية المرغوبة في التجارب عن طريق تعريض ملفات الاختبار للإثارة الحرارية في غرفة حرارية مضبوطة أو تنشيطها بتيار مستمر متحكم فيه باستخدام مصدر طاقة تيار مستمر قابل للبرمجة، كما تم إجراء القياس الديناميكي لأجهزة استشعار (FBG) باستخدام محقق (Smart Fibers SmartScan04) التجاري متعدد القنوات.